脊髓磁图成像中容积导体模型的优化选择：骨组织对磁场拓扑结构的关键影响

本研究针对脊髓磁图成像(MSG)中容积导体模型的选择难题，通过对比11种电磁场计算模型（包括无限均匀介质、球模型、边界元法BEM及有限元法FEM），首次系统评估骨组织对脊髓电流磁场信号的影响。研究发现：沿脊髓纵轴(I-S)的电流磁场对模型选择不敏感，而横向电流(R-L/AP)信号强度被骨组织显著衰减5-8倍；含骨模型能提升相邻源的空间分辨力。该成果为高精度脊髓功能成像提供关键建模依据，发表于《Scientific Reports》。

　　

脊髓作为连接大脑与周围神经系统的关键通路，其功能研究长期受限于深部定位难题。传统非侵入性检测如电生理记录易受骨组织干扰，而功能磁共振又缺乏毫秒级时间分辨率。近年来，基于超导量子干涉仪(SQUID)和光泵磁强计(OPM)的磁脊髓图(MSG)技术崭露头角，但如何准确建模脊髓电流与外部磁场的映射关系——即"正向问题"，成为制约该技术发展的瓶颈。

英国伦敦大学学院(University College London)的George C.O'Neill团队联合瑞士苏黎世大学、芬兰阿尔托大学的研究人员，在《Scientific Reports》发表最新研究，系统评估了11种容积导体模型对MSG信号的影响。通过构建包含脊髓、椎骨、心肺等组织的多尺度电磁模型，首次揭示骨组织对磁场拓扑的决定性作用：当电流沿脊髓纵轴(I-S)流动时，所有模型均能准确预测约10 fT/nAm的磁场强度；但横向电流(R-L/AP)在含骨模型中信号衰减达84%，且椎骨的存在使相邻4 mm间距源的磁场差异提升40%。这些发现为优化MSG源定位算法提供了关键参数。

研究采用三大关键技术：1) 基于个体化躯干扫描的电磁模型构建，包含5种组织类型（电导率0.007-0.62 S/m）；2) 边界元法(BEM)与有限元法(FEM)的多算法验证；3) 250个三轴OPM传感器阵列的虚拟布局，模拟实际测量条件。通过奇异值分解(SVD)量化不同电流方向对磁场的贡献权重，并采用相对误差(RE)和平方相关系数(CC)评估模型间一致性。

模型几何与源空间
基于志愿者红外结构扫描数据，建立包含3160节点的躯干网格模型。脊髓源空间沿50 mm深度分布，包含61个主源点及周边8个环形辅助源，模拟不同电流方向组合。传感器阵列距体表10 mm排列，模拟实际OPM测量环境。

容积导体模型比较
研究发现：无限均匀模型(Inf)与实际情况偏差最大，而包含椎骨的5组织模型(5c BEM/FEM)最接近真实。特别值得注意的是，骨组织使横向电流(R-L)的磁场强度从9.5 fT/nAm降至1.6 fT/nAm，但显著提升源定位精度——相邻源的RE值从0.2(骨缺失模型)增至0.35(含骨模型)。

场分解揭示方向敏感性
SVD分析显示：无骨模型对I-S和R-L电流灵敏度相当（特征值比1.07），而含骨模型对I-S电流灵敏度提升6.49倍。椎骨如同"定向滤波器"，优先传导纵轴电流，这解释了临床MSG中I-S信号更易检测的现象。

骨模型增强源分离
对比T9节段左右侧源发现：含骨模型使两侧磁场差异从5%(1c LC)增至16%(5c LC)，CC值从0.95降至0.84。这种不对称性源于椎骨对近端磁场的选择性衰减，为临床鉴别左右侧神经活动提供新思路。

该研究确立了含骨容积导体模型在MSG中的不可替代性：椎骨不仅是解剖屏障，更是电磁信号的空间编码器。这一发现解决了MSG建模中长期存在的方向敏感性偏差问题，为开发兼顾自然行为监测与高精度定位的OPM-MSG系统奠定基础。未来结合个体化椎骨MRI建模，有望实现脊髓损伤与疼痛机制的毫米级动态成像，推动"脑-脊髓联合监测"时代的到来。